【机械加工】CCD图象传感器的应用技术尺寸测量

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1、CCDCCD图象传感器的应用技术图象传感器的应用技术 尺寸测量尺寸测量光学工程光学工程一、图像传感器的历史一、图像传感器的历史 早在早在18731873年，约瑟年，约瑟美美(Joseph May)(Joseph May)及伟洛比及伟洛比史密夫史密夫(WilloughbySmith)(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，这是电子影像发展的开始。以后陆续发明了几种电流，这是电子影像发展的开始。以后陆续发明了几种不同类型的图像传感器。其中有不同类型的图像传感器。其中有2020世纪世纪5050年代诞生的年代诞生的光光学倍增管学倍增管(P

2、hoto Multiplier Tube(Photo Multiplier Tube，简称，简称PMT)PMT)和和7070年代年代出现的出现的电荷耦合装置电荷耦合装置(Charge Coupled Device(Charge Coupled Device，简称，简称CCD)CCD)。2020世纪末，又有三种新型的图像传感器问世了，世纪末，又有三种新型的图像传感器问世了，其中比较普遍应用的是其中比较普遍应用的是互补氧化金属半导体互补氧化金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor(Complementary Metal Oxide Semicond

3、uctor，简称，简称CMOS)CMOS)。 PMTPMT PMTPMT从五十年代发展到现在，技术已经非常从五十年代发展到现在，技术已经非常成熟。它的形状就像一个圆柱体的小灯泡，直成熟。它的形状就像一个圆柱体的小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转化为电信号，最高动态范围可达入的光信号转化为电信号，最高动态范围可达4.24.2，而且它非常耐用，可以运作十万小时以，而且它非常耐用，可以运作十万小时以上。但是由于它的造价相当高，目前只是应用上。但是由于它的造价相当高，目前只是应用于专业的印刷、出版业的扫描仪及工程分析。于专业的印刷、出

4、版业的扫描仪及工程分析。CMOSCMOS CMOSCMOS技术已发展了数十年，技术已发展了数十年，CPUCPU和内存便是和内存便是由由CMOSCMOS组成。但直到组成。但直到19981998年它才被用于制作图年它才被用于制作图像传感器。像传感器。CMOSCMOS的优点是结构比的优点是结构比CCDCCD简单，耗简单，耗电量只有普通电量只有普通CCDCCD的的1/31/3左右，并且它的制造成左右，并且它的制造成本比本比CCDCCD要低。自从佳能公司在专业数码单反要低。自从佳能公司在专业数码单反相机相机EOS D30EOS D30中采用了中采用了CMOSCMOS以来，已经有越来以来，已经有越来越多的

5、数码单反相机使用它，目前数码单反相越多的数码单反相机使用它，目前数码单反相机中几乎有一半采用机中几乎有一半采用CMOSCMOS作为图像传感器。作为图像传感器。 CCDCCDCCDCCD是美国贝尔实验室于是美国贝尔实验室于19691969年发明的，与年发明的，与电脑晶片电脑晶片CMOSCMOS技术相似，也可作电脑记忆体及技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。逻辑运作晶片。CCDCCD是一种特殊的半导体材料，是一种特殊的半导体材料，它是由大量独立的感光单元按照矩阵形式排列它是由大量独立的感光单元按照矩阵形式排列组成的。组成的。CCDCCD的感光能力比的感光能力比PMTPMT低，但近年来低，但近

6、年来CCDCCD技术有了长足的进步。由于技术有了长足的进步。由于CCDCCD的体积小、的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是像传感器都是CCDCCD。 CCDCCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般情况下就是在需要使用色彩滤镜，一般情况下就是在CCDCCD器件的滤镜器件的滤镜层涂上不同的颜色，其色块按层涂上不同的颜色，其色块按G-R-G-B(G-R-G-B(绿绿- -红红- -绿绿-

7、-蓝蓝) )的顺序排列，使每一片滤镜单元下的感光单元感应不同的顺序排列，使每一片滤镜单元下的感光单元感应不同的颜色。的颜色。例如，在一个例如，在一个130130万像素的万像素的CCDCCD上，有上，有325000325000个像个像素感应红色，素感应红色，325000325000个像素感应蓝色，个像素感应蓝色，650000650000个像素个像素感应绿色。在一个使用这种感应绿色。在一个使用这种CCDCCD的分辨率为的分辨率为1280 x10241280 x1024的数码相机中，有的数码相机中，有640 x512640 x512个红色像素、个红色像素、640 x512640 x512个蓝个蓝色像

8、素和色像素和640 x1024640 x1024个绿色像素，绿色像素多一点，是个绿色像素，绿色像素多一点，是因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其它颜色不一样。最因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其它颜色不一样。最后在记录图像时，每个像素的真实色彩就是它与周围像后在记录图像时，每个像素的真实色彩就是它与周围像素象混合的平均值。目前大多数数码相机都是采用这种素象混合的平均值。目前大多数数码相机都是采用这种CCDCCD。 1 1小型化黑白、彩色小型化黑白、彩色TVTV摄像机摄像机 二、二、CCDCCD传感器应用领域传感器应用领域2 2传真通讯系统传真通讯系统3 3光学字符识别光学字符识别4 4工业检测与自动

9、控制工业检测与自动控制5 5医学标本分析与检测（如血细胞分析仪），医学标本分析与检测（如血细胞分析仪），6 6 天文观测天文观测7 7 军事上应用军事上应用 三三、图像传感器应用、图像传感器应用技术技术 -尺寸测量尺寸测量信号的二值化处理信号的二值化处理 CCD CCD传感器光敏单元的输出可以看成传感器光敏单元的输出可以看成“0”0”、“1”1”信号信号, ,通过对输出为通过对输出为“0”0”的信号进行计数的信号进行计数, ,即可测出即可测出物体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时物体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时, ,物像边缘交界处光强是连续变化的物像边缘交界处光强是连续变

10、化的, ,而不是理想的阶而不是理想的阶跃跳变跃跳变, ,要解决这一问题可用两种方法要解决这一问题可用两种方法: :比较整形法比较整形法; ;或者或者 微分法。微分法。 比较整形法比较整形法计数脉冲CCD低通滤波比较器计数显示参考电平+比较器输出CCD输出滤波输出参考电平tt10n个脉冲在低电平期间对计数脉冲进行计数,从而得np 。微分法微分法低通滤波微分绝对值微分过零触发二值化CCD视频信号滤波后CCD视频信号AA，微分绝对值微分过零触发二值化信号OOOOOOtttttt微分法波形图微小尺寸的检测微小尺寸的检测 He-Ne信号读出信号处理时钟发生控制器计数显示器透镜细丝线阵CCDL0123Xk

11、SdL 远场条件远场条件L Ld d2 2/ d=K/Sin d=K/Sin S S的测量方法的测量方法 S=nspVn误差分析d= = = KXLKKXLK/SL SSLLSSLd2小尺寸的检测小尺寸的检测 信号处理计数显示控制器Lnp L=( +1)np fa 例子：钢珠直径，小轴承内外径，小轴径、孔径，小玻璃管直径，微小位移测量，机械振动测量。大尺寸检测（或高精度工件检测）大尺寸检测（或高精度工件检测） CCD2公称尺寸L0右误差LXCCD1结结 语语 图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术效的非接触检测技术, ,被广泛应用于各种加工被

12、广泛应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度检测技术领域。件的在线检测和高精度、高速度检测技术领域。由于由于CCDCCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、象素位置信息强、结构紧凑等特征，因而，由象素位置信息强、结构紧凑等特征，因而，由线阵线阵CCDCCD、光学成像系统、计算机数据采集和、光学成像系统、计算机数据采集和处理系统构成的尺寸测量仪器，具有高精度、处理系统构成的尺寸测量仪器，具有高精度、速度快、应用方便等特点，是现有机械式、光速度快、应用方便等特点，是现有机械式、光学式和电磁式测量仪器无法比拟的。学式和电磁式测量仪器无法比拟的。 参考文献参考文献:

13、:1 1 王庆有王庆有. . 图像传感器应用技术图像传感器应用技术. . 北京北京: :电子工业出版社电子工业出版社 200320032 2 范志刚范志刚. . 光电检测技术光电检测技术 北京北京: :电子工业出版社电子工业出版社 2004.2004.3 3 彭军彭军. . 传感器与检测技术传感器与检测技术. . 西安：西安电子科技大学出版社，西安：西安电子科技大学出版社，200320034 4 张正伟张正伟. . 传感器原理与应用传感器原理与应用. . 北京：中央广播电视大学出版社，北京：中央广播电视大学出版社，199119915 5 王庆友王庆友, ,于桂珍于桂珍. . 利用线阵利用线阵C

14、CDCCD非接触测量材料变形量的方法非接触测量材料变形量的方法. . 光电工光电工程程,2002,2002谢谢 谢！谢！不管是中医学还是西医学，从二者现有的思维方式的发展趋势来看，均是走向现代系统论思维，中医药学理论与现代科学体系之间具有系统同型性，属于本质相同而描述表达方式不同的两种科学形式。可望在现代系统论思维上实现交融或统一，（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）成为中西医在新的发展水平上实现交融或统一的支撑点，希冀籍此能给中医学以至生命科学带来良好的发展机遇，进而对医学理论带来新的革命。编辑本段现代中医史（4f肿瘤fbb癌症yuw3胃癌d65io肠癌.f2tr肺癌65ff）

15、替了事实认识，决定最终结果劳而无功”，因此，中、西医学应并存共荣而不必强求统一。 （df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）尽管目前中、西医学还不可能融合成为一种统一的医学模式，但可以独立发展，并存共荣，整合互补。（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）缘于现代信息论、（df肺25s血液f369血小板t5172红血球gdf55m白血球fd2）系统论和控制论的影响，西医学的发展趋势若仅仅是单纯地重视分析而忽略了整体结构和整体功能，无疑将渐行渐窄。而中医讲究“感悟”，（4f肿瘤fbb癌症yuw3胃癌d65io肠癌.f2tr肺癌65ff）未免夹带有很多主观因素，难以客观地定

16、量，定性。若中医的诊察疾病能参考现代医学的微观分析，将辨证与辨病相结合，实现宏观与微观的统一，使中医诊断客观化，即把分析与综合相结合的方法引入中医理、法、方、药的研究，使二者有机结合，互相借鉴、补充，避免各自的片面性、局限性，这将有利于中西医学的优势互补，（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr） “和而不同”，多元发展。近年来，中医药在防治非典、禽流感和艾滋病方面发挥的独特作用也证实了二者的有机结合，具有肯定的临床疗效。编辑本段东西方医学交融（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）不管是中医学还是西医学，从二者现有的思维方式的发展趋势来看，均是走向现代系统论思维，中医药学理

17、论与现代科学体系（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）之间具有系统同型性，属于本质相同而描述表达方式不同的两种科学形式。可望在现代系统论思维上实现交融或统一，成为中西医在新的发展水平上实现交融或统一的支撑点，希冀籍此能给（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）中医学以至生命科学带来良好的发展机遇，进而对医学理论带来新的革命。编辑本段现代中医史（df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）轴心时代中、西医学的峰巅之作机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学

18、或物相变化称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工会引起工件的化学或物相变化称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理煅造铸造和焊接。另外装配时常常要用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在依旧应用于某些零部件的转配过程中）。 机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。 机械加工：广意的机械

19、加工就是指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（Lathe Machine）、铣床(Milling Machine)、钻床(Driling Machine)、磨床(Grinding Machine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。1959年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50500m的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为

20、6012m的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。 微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、StanfordAT&T的15名科学家在上世纪八十年代末提出小机器、大机遇：关于新兴领域-微动力学的报告的国家建议书，声称由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面，建议中央财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制发现号微型卫星，美国

21、国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的美国国防部技术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威

22、斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。 日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。 欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于19901993年拨款4万马克支持微系

23、统计划研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的微系统与技术项目。欧共体组成多功能微系统研究网络NEXUS，联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。 目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5m的微

24、型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm7mm2mm的微型泵流量可达250l/min能开动汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合(MIMU)。德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器(机械部分)和集成电路(电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上3mm3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5m的微细轴。 工艺基础的基本概念。雅斯贝而斯曾说：“如果历史有一个轴心，那么我们就必须将这轴心作为一系列对全部人类都有意义的事件，发生于公元前800至200年间的这种精神历程似乎构成了这样一个轴心。 本文档下载后可以修改编辑，欢迎下载收藏。